日本冷凍空調学会賞

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技術賞

「e-3Dスクロール」を搭載した高効率スクロール圧縮機
High Efficiency Compressor with Evolutionary Three-Dimensional Scroll

1. はじめに

地球温暖化における環境保全などの観点から，冷凍空調機器における省エネル
ギー化の動きは益々加速し，その消費電力の大部分を占める圧縮機には常に高効率化が求められている．これに対応する

佐藤創＊＊

Hajime SATO

木全央幸＊

Yoshiyuki KIMATA

高須洋悟＊

Yogo TAKASU

伊藤隆英＊＊ 山下拓馬＊＊
Takahide ITOTakuma YAMASHITA

ため，2005 年に開発した当社独自の“3Dスクロール”をさらに高効率化させた進化型 3 次元圧縮構造“e-3D スクロール”を搭載したスクロール圧縮機を開発した．

2. “e-3D スクロール”の特徴
2.1

Tip leakage

従来型スクロールの圧縮方向と洩れ隙間

Mesh leakage

図１に従来型スクロール（2D スクロール）と 3D スクロール，および今回開発した e-3D スクロールの断面模式図を示す．2D スクロールのラップ高さは最外周からBottomMesh leakage
Tip

図２Tip leakage

3D スクロールにおけるステップ洩れ中央部にかけて一定であり，冷媒は外側から内側に向かって 2 次元的に圧縮される．一方，3D スクロールはスクロールの特徴をそのままに，ステップ隙間自体が存

ラップ先端，スクロール端板にステップ状の高さ変化を在しない構造の開発に取り組んだ．

設けることにより，ラップ高さ方向への圧縮を加えたこ

2.2 “e-3D スクロール”の構造および特徴とが特徴である．

e-3D スクロールは，ラップの高さを図 1（c）に示すよ

しかし，3D スクロールにはステップの噛み合い部における固有の洩れ隙間が存在する．図２にステップ隙間のうに，圧縮の進行に伴い滑らかなスロープ形状で連続的に減少させたことが特徴である．この構造により，e-3D模式図を示す．固定スクロール端板側と旋回スクロースクロールは 3D スクロール同様，高さ方向の圧縮が可

ルラップ側が噛み合うステップ部には，右側の圧縮室か能である上に，ステップ自体が存在しないためステップら左側の圧縮室への洩れ経路が存在する．このため，隙洩れが存在せず，効率向上を実現した．
図３に e-3D スクロールのラップ展開図を示す．e-3D間の大きさや油循環率を最適化することで洩れ損失を最小化させる必要があった．今回，進化型 3 次元圧縮構造“e-3D スクロール”では，さらなる効率向上のため，3Dスクロールはスロープ形状のラップ先端および端板を持ち，外周から中央に向かって徐々にラップ高さが低くなる．1 対のスクロールにおいては，片方のスクロールラップ先端のスロープ角度は，もう一方のスクロールの対応する位置における端板のスロープ角度と等しくなる．
なお，圧縮機本体へのスクロールの組付けを容易にするため，最外周部と最中央部のラップ先端，端板形状は平(a) 2Dスクロール

図１(b) 3Dスクロール(c) e-3Dスクロール

スクロール断面模式図＊三菱重工サーマルシステムズ㈱Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems, Ltd.
＊＊三菱重工業㈱Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
原稿受理 2024 年 2 月 19 日

冷凍 2024 年 6 月号第 99 巻第 1155 号

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1

2Outer end
1 FlatTip
3Bottom

4

3

図３

Slope

Inner end
Flat

Discharge pipe

Partition cover

Discharge

Fixed scroll

Tip seal

2

Bypass valve

4

Drive bearing

Slope

FlatFlat(e-3D scroll)
Orbiting scroll
Thrust bearing

Suction pipe

e-3D スクロールラップ展開図

Main

Motor stator
Crank shaft

Tip seal

BottomTip

Pivot Always even(a) 従来型 2D/3D スクロール

Tip seal

BottomTip

Motor rotor

Sub bearing

図５Pivot Cyclic change

e-3D スクロール圧縮機断面図(b) e-3D スクロール

表１ 運転条件

図４ スクロールの旋回運動によるチップクリアランス坦のままとした．
e-3D スクロールはこのスロープ形状のため，旋回スクロールの旋回運動に伴い，周期的にラップ先端のチッププクリアランス変化の模式図を示す．従来型スクロー
ルは旋回スクロールの運動方向とスクロールラップ先端・端板面が平行であることから，旋回角によらずチップクリアランスの大きさは一定である．これに対し，
e-3D スクロールは旋回スクロールの運動方向に対して

1.06
Efficiency ratio

クリアランスが変動することが特徴である．図４に従来型スクロールと e-3D スクロールの旋回運動に伴うチッCT/ET（℃）
46 / 1344 / 2033 / 19

Rated COND
50 ％ Load COND
25 ％ Load COND

3D scrolle-3D scroll

1.04
1.02

Rotation speed（rps）
95
3723+3.2+4.8+0.1

10.980.96

Rated COND

図６50％ Load COND 25% Load COND

従来機と開発機の効率比較

ラップ先端・端板面が傾斜しており，チップクリアランスの大きさは旋回角によって周期的に変動する．このため，幾何学的には全旋回角で隙間なく圧縮室を形成する行モデルに採用することが可能である．

3.2

効率向上

チップシールが設置されているため，チップシールがク

表１に示す運転条件における 3D スクロールと e-3Dスクロールの効率比較を図６に示す．e-3D スクロール

リアランス変化に追従して相手端板と常に接触することは，特に 25，50 ％負荷条件において効率が向上している．

で隙間を封止し圧縮室を形成している．

これら条件では，低速運転のため洩れ損失の比率が大きく，e-3D スクロールの採用による洩れ損失の低減が効ことはできないが，ラップ先端には弾性材料からなる

3. 適3.1

用製品率向上につながった．これら低速運転による中間条件の大容量 e-3D スクロール圧縮機開発概要

効 率 は，APF（annual performance factor）や IPLV

ヒートポンプチラーに搭載したスクロール圧縮機に（integrated part load value）に対する寄与率が大きいた

e-3D スクロールを採用し，高効率・大容量化を実現しめ，空調や冷凍製品における省エネが期待できる．開発

た．図５に開発機（押し退け量 120（cc/rev））の断面図

機搭載のヒートポンプチラー「MSV2」では，従来機対を示す．スクロールのスロープ高さについては同容量の比大幅な効率向上と省エネ性を実現した .

3D スクロールのステップ高さと同等とし，スロープ長さ（角度）については効率および組立性を考慮して決定した．こうして開発した e-3D スクロール圧縮機は，従4. おわりに独自の圧縮機構を持つ e-3D スクロールにより，大容来の 3D スクロールと比較して，スクロール渦断面，外周量という従来機の特徴を維持しつつ，大幅な高効率化をラップ高さ，押し退け量，設計容積比が同一で，モータ，実現したスクロール圧縮機を開発した．今後は，VRF シハウジングなど，スクロール以外の部品や圧縮機内の冷媒流路も同一である．したがって，開発した e-3D スクステム，冷凍システムといった多種多様な冷熱製品に“e-3D スクロール”の適用を進め，カーボンニュートラル

ロールは，固定・旋回スクロールを置き換えるだけで現社会の実現に向けて貢献していく所存である．

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冷凍 2024 年 6 月号第 99 巻第 1155 号